商品混凝土非荷載裂縫淺析
2005-05-21 00:00
[摘要]在對國內(nèi)商品混凝土性能分析的基礎(chǔ)上， 分析了商品混凝土非荷載裂縫的產(chǎn)生原因， 并針對各種不同的裂縫產(chǎn)生原因提出了相應(yīng)的措施。
[關(guān)鍵詞]混凝土 非荷載裂縫 收縮
1 現(xiàn)代混凝土的發(fā)展概況
商品混凝土又稱為預(yù)拌混凝土， 是指集中制作后再以商品形式供應(yīng)用戶的混凝土。目前，商品混凝土以其進度快、質(zhì)量好、勞力省、消耗低、技術(shù)先進、現(xiàn)場文明等諸多優(yōu)點， 已成為城市建設(shè)業(yè)不可缺少的組成部分，越來越受到人們的歡迎。
1．1 商品混凝土的優(yōu)越性
商品混凝土生產(chǎn)是將分散的小生產(chǎn)方式的混凝土生產(chǎn)變成集中的專業(yè)化的混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)， 再以
商品的形式向用戶供應(yīng)混凝土，將混凝土的攪拌、運輸和布料，個工序緊密地結(jié)合在一起，其優(yōu)越性歸納起來有以下幾點：
a) 提高設(shè)備利用率；
b) 減少污染，節(jié)約用料；
c) 有利于質(zhì)量控制；
d) 有利于新技術(shù)的推廣；
e) 商品混凝土的質(zhì)量穩(wěn)定，有利于推廣新的施工工藝。
1．2 混凝土技術(shù)的進展及其影響
在混凝土一百多年的發(fā)展歷程中， 現(xiàn)代混凝土正向著高強、高流動性、高耐久性的方向發(fā)展。 工程中商品混凝土的大量應(yīng)用，使得混凝土的水灰比、水泥用量、 外加劑等方面均較以往現(xiàn)場攪拌的普通混凝土有了較大的變化，具體表現(xiàn)為以下幾個方面：
1．2．1 商品混凝土的單位用水量
混凝土中的用水量越大， 則混凝土的收縮也越大，從而也大大地增加了現(xiàn)澆樓板開裂的可能性。
1．2．2 水泥
商品混凝土中水泥較以往普通混凝土的變化，主要表現(xiàn)在水泥細(xì)度和水泥的用量兩個方面。受混凝土早期強度發(fā)展快可以給業(yè)主和承包商帶來明顯的利益所驅(qū)使， 水泥生產(chǎn)商將水泥產(chǎn)品中的硅酸三鈣含量不斷提高，粉磨也不斷增大。上述的變化，增大了混凝土的水灰比，水灰比大的混凝土碳化要比水灰比小的混凝土迅速，對海水。凍融與耐久性也不如后者、隨著混凝土強度設(shè)計等級的提高， 促使混凝土單位水泥用量迅速增長， 混凝土中水泥及細(xì)粉含量的增加，使得其收縮有擴大的趨勢；與此同時，水泥的水化熱較高， 也使得混凝土拌合物的澆筑溫度過高，水化反應(yīng)過快，為早期的溫度收縮裂縫的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。
1．2．3 骨料質(zhì)量
商品混凝土中砂的細(xì)度較細(xì)，表面積較大，需要更多的水泥等膠凝材料包裹， 由此帶來水泥用量和
用水量的增加，隨之混凝土中孔隙和毛細(xì)孔增多，使混凝土的收縮加大，增大了裂縫產(chǎn)生的機會。為提高混凝土的泵送性， 商品混凝土常采用較小粒徑的骨料， 同時骨料的顆粒級配較差， 用量較小， 使得生產(chǎn)混凝土?xí)r需要較多的細(xì)骨料和膠凝材料來填充，所以水泥用量和用水量也較大，從而使混凝土的收縮也相應(yīng)增大。
1．2．4 坍落度
實際施工中，商品混凝土的坍落度一般在10cm以上，在一些郵電高層建筑施工中，坍落度甚至可達到17～18cm，造成混凝土在硬化過程中，由于水分蒸發(fā)和膠凝體失水后引起干縮量加大， 使得產(chǎn)生裂縫的概率也加大。
1．2．5 外加劑
混凝土外加劑在商品混凝土中的廣泛應(yīng)用，已使其成為混凝土中必不可少的第五組分?；炷镣?/DIV>
加劑的特點是品種多%摻量小，在改善新拌和硬化混凝土性能中起著重要的作用；但是，如果混凝土中外加劑的摻量不恰當(dāng)，配制的水灰比（或水膠比）較低，會顯著增加混凝土早期的自生收縮。
1．2．6 摻合料
摻合料是現(xiàn)代混凝土中必不可少的第六組分。當(dāng)混凝土中摻入活性粉料（粉煤灰）時，可以提高其工作性，降低水化熱（摻水泥用量的15％，降低水化熱的15％左右），因此，粉煤灰在商品混凝土中得到了廣泛地應(yīng)用， 但同時應(yīng)當(dāng)注意到摻加粉煤灰的混凝土早期抗拉強度及早期極限拉伸有少量的降低（約10～20％），從而增加了商品混凝土開裂的可能性。
2 混凝土結(jié)構(gòu)中的非荷載裂縫
混凝土結(jié)構(gòu)是我國工程結(jié)構(gòu)中最常見、應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一。 但由于混凝土結(jié)構(gòu)自身組成材料的弱點（抗拉強度較低），在使用條件下容易出現(xiàn)裂縫，這里所說的裂縫是指肉眼可見的宏觀裂縫，而不是微觀裂縫，其寬度應(yīng)在0.05mm以上。
混凝土結(jié)構(gòu)中常見的裂縫可分為兩類， 一類是由于結(jié)構(gòu)承受荷載產(chǎn)生的裂縫， 這類裂縫是結(jié)構(gòu)在荷載作用下在某些部位產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過了材料的抗拉強度而引起的，又稱為“荷載裂縫”；另一類是由于混凝土材料的收縮變形、 溫度變化以及混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕等原因引起的裂縫，又稱為“非荷載裂縫”。目前，國內(nèi)外對因荷載作用引起的“荷載裂縫”進行了較深入地研究，建立了相關(guān)的理論和控制標(biāo)準(zhǔn)，而對因其他原因引起的“非荷載裂縫”則主要是在設(shè)計和施工中規(guī)定了一些構(gòu)造措施來防止和減輕， 尚未建立起有效的計算理論和控制措施，因此，本文將混凝土結(jié)構(gòu)中的“非荷載裂縫”作為主要的研究對象來加以分析。
2．1 非荷載裂縫的分類
2．1．1 混凝土硬化以前新拌混凝土的塑性裂縫
出現(xiàn)塑性裂縫的主要原因有：
a）新拌混凝土在可塑狀態(tài)下凝結(jié)收縮而產(chǎn)生的塑性收縮裂縫；
b）可塑狀態(tài)下新拌混凝土，其組成材料因受力下沉不均勻或下沉受阻而產(chǎn)生的塑性沉降裂縫；
c）可塑狀態(tài)下的混凝土因模板變形、支架下沉或受到施工過程中的擾動、 移動等原因而產(chǎn)生的其他塑性裂縫。
2．1．2 硬化混凝土的早期收縮裂縫
硬化混凝土早期收縮裂縫主要包括干燥裂縫、自生收縮裂縫和溫度收縮裂縫。
1）干燥收縮裂縫
干燥時收縮，受濕時膨脹，這是水泥基混凝土材料的固有特性， 其主要原因是混凝土內(nèi)的固體水泥
漿體體積會隨含水量而改變。 混凝土中骨料對水泥漿體積的變化起到了很大的約束作用， 使混凝土的體積變化遠(yuǎn)低于水泥漿體的體積變化。 在硬化水泥漿體中，部分水存在于漿體的毛細(xì)孔隙內(nèi)，而相當(dāng)一部分水則存在于水泥硅酸鈣凝膠體之中。 混凝土干燥時， 首先失去的是較大孔徑的毛細(xì)孔隙中的自由水份，但這幾乎不會引起固體漿體體積的變化，只有很小孔徑毛細(xì)孔隙水和凝膠體內(nèi)的吸附水與膠體的層間孔隙水減少時才會引起明顯的收縮。
目前，混凝土干燥收縮的機理尚不完全清楚，一般認(rèn)為是干燥時混凝土內(nèi)的孔隙水拉力發(fā)生變化，膠凝體粒子的表面張力增加， 膠凝體內(nèi)的膨脹蒸汽壓力減小和層間水稱出的綜合結(jié)果。
2） 自生收縮裂縫
自生收縮是水泥水化作用引起的收縮， 并不屬于干燥收縮。水泥水化本身造成體積膨脹，但如將參與水化反應(yīng)的水的體積加在一起， 則水化前后水泥與水的總體積減少。在已硬化的水泥漿體中，未水化的水泥繼續(xù)水化是產(chǎn)生自生收縮的主要原因。 自生收縮主要發(fā)生在混凝土硬化的早期， 一般認(rèn)為混凝土在開始硬結(jié)后的幾天或幾周內(nèi)可完成自生收縮。
水灰比的變化對于干燥收縮和自生收縮的影響正相反，當(dāng)水灰比降低時，混凝土的干燥收縮減小，而自生收縮增大。 如當(dāng)水灰比大于0.5時，其自生收縮與干縮相比小得可以忽略不計。但是當(dāng)水灰比小于0.35時，混凝土內(nèi)相對濕度很快降到80%以下，自生收縮與干縮則接近各占一半；當(dāng)水灰比低至0.17時，則自生收縮要占100%，而干縮為0，意味著即使在很干燥的環(huán)境中也沒有水份向外蒸發(fā)，水灰比較小的高性能混凝土自收縮過程開始于水化速度處于高潮階段的頭幾天，濕度梯度首先引發(fā)表面裂縫，隨后引發(fā)內(nèi)部裂縫，若混凝土變形受到約束，則進一步產(chǎn)生收縮裂縫， 這也是高強混凝土容易開裂的主要原因之一。
3）溫度收縮裂縫
引起混凝土早期體積變化的主要原因是溫度收縮，溫度對早期混凝土的收縮開裂起著重要的作用?；炷猎谀Y(jié)及早期過程中釋放大量水化熱， 使混凝土升溫， 當(dāng)混凝土內(nèi)部的溫度與外部環(huán)境相差較大， 以致所形成的溫度應(yīng)力或溫度變形超過混凝土當(dāng)時的抗拉強度或極限拉伸值時，就會形成裂縫。在工程實踐中，尤其是大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，控制混凝土的溫度收縮裂縫最為關(guān)鍵。
工程中常出現(xiàn)的“非荷載裂縫”主要是由于混凝土的干燥收縮*溫度收縮引起的，其中也有許多裂縫
是由于混凝土的干燥收縮和溫差變形的雙重作用共同引起的。
2．1．3 工程中常見的收縮裂縫圖
工程中因混凝土收縮開裂的例子很多， 經(jīng)歸納總結(jié)，以下給出了工程中常見的收縮裂縫示意圖（見圖1），以助于對收縮裂縫的分析和判斷。
3 混凝土結(jié)構(gòu)非荷載裂縫的控制措施
混凝土收縮和溫度作用引起的非荷載裂縫雖然對結(jié)構(gòu)的安全不會形成不利的影響， 但它們的存在會損害結(jié)構(gòu)的使用功能和耐久性，因此，仍需要采用措施來預(yù)防或減少這些裂縫。一旦出現(xiàn)非荷載裂縫，就必須分析其產(chǎn)生的原因，并采取適當(dāng)?shù)男扪a措施。
3．1 減少混凝土結(jié)構(gòu)的收縮變形
3．1．1 混凝土的水灰比
隨著水灰比的增加， 混凝土內(nèi)部提供了更多的空間用于自由水的擴散， 從而減少了混凝土抵抗變形的剛度， 引起混凝土的收縮應(yīng)變也隨之增加。因此，要減少混凝土的收縮應(yīng)變，應(yīng)盡量采用較小的水灰比，混凝土的水灰比不宜大于0.60。
3．1．2 養(yǎng)護條件
養(yǎng)護條件是減少混凝土收縮變形， 進而有效控制非荷載裂縫的一個重要因素?；炷猎跐仓院螅B(yǎng)護期間內(nèi)相對濕度越大， 混凝土內(nèi)部和外界的濕交換越小，其相應(yīng)的收縮變形也越小。當(dāng)混凝土構(gòu)件處于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下時， 其收縮應(yīng)變要較自然養(yǎng)護下的收縮應(yīng)變小得多。這是因為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)溫度恒定，相對濕度較大，混凝土內(nèi)部失水較少的緣故。因此，在施工中必須對養(yǎng)護工作給予充分的重視，要制定養(yǎng)護方案， 派專人負(fù)責(zé)養(yǎng)護工作。 混凝土澆完畢，混凝土凝結(jié)后，需進行妥善的保溫、保濕養(yǎng)護，盡量避免干燥的急劇變化。保溫、保濕的養(yǎng)護時間，對硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥拌制的混凝土，不得少于7d，對有抗?jié)B要求的混凝土，不得小于14d。
對于底板和樓板等平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 混凝土澆收漿和抹壓后，用塑料薄膜覆蓋，防止表面水分蒸發(fā)。混凝土硬化至可上人時，揭去塑料薄膜，鋪上麻袋或草簾，用水澆透，有條件時盡量蓄水養(yǎng)護。 墻體混凝土澆注完畢，混凝土達到一定強度（1～3d）后，必要時應(yīng)及時松動兩側(cè)模板，離縫約3～5mm，在墻體頂部架設(shè)淋水管，噴淋養(yǎng)護。拆除模板后，應(yīng)在墻兩側(cè)覆掛麻袋或草簾，避免陽光直照墻面。
3．1．3 膨脹劑
在拌制混凝土?xí)r加入一定量的膨脹劑， 可以有效地減少混凝土早期的收縮變形， 甚至可以使混凝
土處于預(yù)壓狀態(tài)， 從而有效地控制非荷載裂縫的產(chǎn)生。 值得注意的是，在選用膨脹劑時，必須根據(jù)工程具體情況先做水泥適應(yīng)性及實際效果試驗， 要選擇抗收縮性能較好的膨脹劑。
3．1．4 構(gòu)件中所配的鋼筋
配筋混凝土構(gòu)件的收縮應(yīng)變要遠(yuǎn)小于同等條件下素混凝土構(gòu)件的收縮應(yīng)變。 約2％的配筋率就可以
將混凝土的收縮應(yīng)變降低到70~80×10－6，配筋率越大，混凝土的收縮應(yīng)變則越小。同時，配筋也可將素混凝土構(gòu)件中本可出現(xiàn)的貫穿性裂縫分散到不可見或無任何意義的微細(xì)程度。
因此，通常在板、現(xiàn)澆剪力墻中配置構(gòu)造鋼筋來控制溫度收縮裂縫。在板中，宜采用直徑細(xì)而間距密的方法配置，其間距不大于100mm，沿板的縱橫兩個方向的配筋率分別不宜小于0.1％。在墻體中的水平分布筋的配筋率不宜小于0.4%.， 間距不大于100mm。
3．2 有效地控制混凝土的溫度差異
由于水泥水化熱引起混凝土溫升， 混凝土發(fā)生膨脹應(yīng)變，形成壓應(yīng)力，隨后混凝土溫度達到峰值開始降溫并發(fā)生收縮，壓應(yīng)力很快下降為零，繼續(xù)降溫冷卻，混凝土內(nèi)的拉應(yīng)力也不斷增長，當(dāng)混凝土的拉應(yīng)力超過當(dāng)時的混凝土抗拉強度時， 則會出現(xiàn)溫度收縮裂縫。因此，控制好混凝土的溫降階段是減少溫度收縮裂縫的關(guān)鍵問題， 尤其是在混凝土拆除模板后，更要控制好它的溫降速率，否則極易出現(xiàn)溫度收縮裂縫。
在實際工程中， 應(yīng)控制澆筑后的混凝土內(nèi)外溫差，混凝土表面與環(huán)境溫度不超過25℃，為達到這一要求可采用以下幾種措施：
a） 在混凝土進行配合比設(shè)計時，應(yīng)摻用礦物摻合料降低水泥用量，并采用水化熱低的水泥；
b） 降低混凝土的入模溫度（可在拌制混凝土?xí)r加入冰屑或冰水降溫、控制水泥及骨料溫度）；
c） 預(yù)埋冷卻水管降低混凝土的內(nèi)部溫度。
4 結(jié)論
綜上所述，只要在設(shè)計、施工、管理、材料等各個方面綜合考慮，采取合理的措施，混凝土中的非荷載裂縫是可以大大減少的，這對提高結(jié)構(gòu)的耐久性具有非常重要的意義。 編輯：
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